Aplicaciones de l'anàlisi exergètica

PRÀCTIQUES DE QUIMICA−FÍSICA
APLICACIONS DE L'ANÀLISI EXERGÈTICA
Resum :
L'objectiu d'aquesta pràctica és estudiar el funcionament de la torre de refredament d'aigua . El seu
funcionament es basa en disminuir la temperatura de l'aigua inserida. Que pot ser molt útil en empreses en que
és vol refredar una aigua que surt d'un circuit a una certa temperatura , i és vol introduir en aquest una altra
vegada però a menor temperatura.
El següent circuit augmenta la l'eficiència de plantes de potència amb el vapor
El funcionament de la torre de refredament comença entrant aigua líquida a una certa temperatura elevada
(calenta) , aquesta entra amb contacte amb un enreixat o una superfície de contacte porosa i per aquesta si fa
passar un cert corrent d'aire , per aquesta raó la superfície de contacte ha de ser el més gran possible per
refrigerar millor. I el que es produeix és un intercanvi de calor de l'aigua que entra, el qual disminueix la
temperatura , i l'aire que entra , el qual està a temperatura ambient ,augmenta la seva temperatura . Tot aquest
procés comporta una pèrdua d'aigua a través de l'aire per evaporació i això fa que s'hagi d'introduir més aigua
en la fase final.
Introducció :
La nostre pràctica la hem pogut anar seguint a través de l'ordinador que ens ha anat informant de les dades
(entrada i sortida de líquid , entrada i sortida de vapor ) , també em obtingut informació a traves de la taula de
comptadors de les sondes que ens informava de la temperatura i humitat relativa ambient , i la temperatura i
humitat relativa de la sortida de la torre també.
I em obtingut les següents dades :
• Temperatura d'entrada de l'aire : 7.5 ºC (temperatura ambient)
• Temperatura de sortida de l'aire : 23.6 ºC
• Temperatura d'entrada de l'aigua : 34.2 ºC
• Temperatura de sortida de l'aigua : 18.2 ºC
• Humitat relativa de l'aire de sortida : 100%
• Humitat relativa de l'ambient : 65.2%
• Cabal d'aire de sortida : 2300 m³/h ( ens ha sigut facilitat )
El cicle estudiat es podria resumir en dos cicles el cicle fred i el cicle calent.
El cicle calent ( es pot veure a la figura 1 ) està composat de la caldera que treu vapor escalfat que passa pel
vas de condensat que es comporta com una vàlvula de tres vies , si el vapor presenta líquid aquest s'acumula a
la part inferior i es torna entrar a la caldera després i trobem unes sondes , fins que entra en el bescanviador de
calor on si desprèn calor el vapor i per tant el vapor es liqua i torna a entrar a la caldera .
Aquest esquema ha sigut facilitat per l'ordinador.
En el circuit fred ( es pot veure a la figura 2 ) està composat per la torre de refredament on surt aigua a
temperatura ambient , la qual es diposita en un dipòsit d'aquest dipòsit es posa una bomba per transportar−la
fins el bescanviador de calor on aquesta aigua líquida absorbeix el calor despresa per l'anterior cicle i per això
1
surt a una temperatura elevada , després aquesta entra a l'interior de la torre de refredament i disminueix la
seva temperatura.
Pràctica :
L'objectiu principal és calcular el cabal màssic d'aigua , i per aquesta raó haurem de fer un balanç màssic i un
balanç energètic.
En el balanç màssic es considera que en el sistema no hi ha pèrdues de massa i per aquesta raó el cabal màssic
d'entrada és igual al de sortida.
Maire (entrada) = Maire (sortida)
S'ha de tenir en compte que en l'aire que surt també hi ha part d'aigua evaporat i per això calcularem el volum
humit que es calcula amb la següent formula :
Vh = (0.082 x T / P ) x ( 1/Mb + Y/Ma )
On :
• T : Temperatura de sortida del gas : 296.6 k
• P : Pressió atmosfèrica : 1 atm
• Mb : Massa molecular de l'aire : 28.97 g/mol
• Ma : Massa molecular de l'aigua : 18.015 g/mol
• Y : Humitat absoluta = humitat d'aigua per massa d'aire sec
La Y la podem trobar a partir de la taula adjunta en la pràctica , agafant el següents punts de referència : a
23.6 ºC i la humitat de l'aire de sortida 100% , es considera que l'aire està totalment saturat.
Y = 0.0103 Kg aigua / Kg aire
I ara trobem el valor del vapor humit que ens dona:
Vh : 0.8544 m³/Kg
Tenint el cabal màssic d'entrada d'aire en m³/h el canviem per Kg/h a través de del volum humit ( inversa de la
densitat )
M (aire de sortida) : 2300 m³/h x 1Kg / 0.8544 m³ = 2691.95 Kg/h
Si M(aire de sortida ) = M(aire d'entrada )
Ara ja podrem realitzar el balanç màssic per així poder determinar el cabal màssic de vapor que surt . Per tant
calcularem l'aigua que surt de la torre.
Per tant M(aire d'entrada ) = M(aire de sortida ) + M(vapor H2O de sortida )
M(vapor H2O de sortida ) = YxMaire − Yambient x Maire
La Yambient la podem trobar com la anterior a través de la temperatura 7.5 ºC i que la humitat relativa
ambiental és de 65.2% . Aquesta dona :
2
Yambient = 0.0071Kg aigua / Kg aire
Doncs :
M(vapor H2O de sortida ) = 0.0103x2691.95 − 0.0071x2691.95 = 8.614 Kg/h
Aquests resultats estaran reflectits en les següent equacions :
M(aigua d'entrada ) = M(aigua de sortida ) + 8.6142
M(aigua de sortida ) = M(aigua d'entrada ) − 8.6142
Un cop realitzats tots els balanços màsics farem el balanç energètic que serà :
M(aigua d'entrada )xh(aigua d'entrada ) + M(aire d'entrada )xh(aire d'entrada ) =
= M(aigua de sortida )xh(aigua de sortida ) + (M(vapor de sortida ) + M(aire de sortida) )xh(aire humit
de sortida )
Si ja partim de la base que coneixem :
M(aigua de sortida ) = M(aigua d'entrada ) − 8.6142
L'introduïm dins l'equació anterior :
M(aigua d'entrada )xh(aigua d'entrada ) + M(aire d'entrada )xh(aire d'entrada ) =
= (M(aigua d'entrada ) − 8.6142)xh(aigua de sortida ) + (M(vapor de sortida ) +
+ M(aire de sortida) )xh(aire humit de sortida )
Ara ens falta el valor de les entalpies d'entrada i sortida de l'aigua que les podem trobar a les taules a través de
la temperatura i en un estat líquid saturat:
h(aigua d'entrada ) = 143.6 KJ/Kg
h(aigua de sortida ) = 76.6 KJ/Kg
Per calcular l'entalpia de l'aire d'entrada i el de sortida s'haurà de tenir en compte que està humit i per tant
haurem d'aplicar la següent formula :
hy = Cpb x (T−T.) + Y x hfg0 + Cpa x Y x (T−T.)
On :
• Cpb és la capacitat calorífica de l'aire = 1.005 KJ/(KgxK)
• Cpa és la capacitat calorífica del vapor d'aigua = 1.86 KJ/(KgxK)
• T és la temperatura
• T. és la temperatura de referència que em agafat 0 K
• Y és la humitat absoluta de l'aire = 0.0103 Kg aigua / Kg aire
• hfg0 és el calor latent de vaporització a la temperatura de referència
3
Si tenim una temperatura de l'aire d'entrada de 7.5 ºC = 280.5 K i hfg0 = 2456.5KJ/Kg
Podem trobar que :
hy = 1.005 x (280.5 − 0) + 0.01 x 2456.5 + 1.86 x 0.01 x (280.5 − 0)
hy = h(aire d'entrada ) = 311.68 KJ/Kg
S'ha de repetir el mateix procediment per l'aire de sortida que es troba a
23.6 ºC = 296.6 K i té una hfg0 = 2456.5 KJ/Kg , per tant :
hy = 1.005 x (296.6 − 0) + 0.01 x 2456.5 + 1.86 x 0.01 x (296.6 − 0)
hy = h(aire de sortida) = 328.16 KJ/Kg
I un cop trobades totes les variables ja podem calcular M(aigua d'entrada ) substituint les
M(aigua d'entrada )xh(aigua d'entrada ) + M(aire d'entrada )xh(aire d'entrada ) =
= (M(aigua d'entrada ) − 8.6142)xh(aigua de sortida ) + (M(vapor de sortida ) +
+ M(aire de sortida) )xh(aire humit de sortida )
M(aigua d'entrada ) x 143.6 + 2691.95 x 311.68 = (M(aigua d'entrada ) − 8.6142) x 76.6 + (8.6142 +
2691.95) x 328.16
I obtenim el següent resultat :
M(aigua d'entrada ) : 694.48 Kg/h
El resultat que ens ha donat s'aproxima força al donat per l'ordinador que ens indicava uns 719/712 Kg/h .Tot i
que presenta diferents punts conflictius com pot ser la temperatura ambiental de 7.5 ºC però tot això es fruit de
la situació de les sondes ja que estan molt properes a les fonts de calor i la seva inexactitud i per aquesta raó
ens dona un resultat una mica desplaçat.
4